專利名稱：用于測量移動片狀產(chǎn)品中的選擇成分的傳感器和方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明 一般涉及用于測量紙和其他片狀產(chǎn)品中的如濕氣這樣的具體 成分的存在和濃度的高速長壽命傳感器和方法。該技術(shù)使用 一種裝置，
這種裝置從特定波長頻帶內(nèi)的超發(fā)光的發(fā)光二極管(SLED )或激光二極 管(LD)把紅外輻射引向移動材料片，并且監(jiān)測從材料出射的輻射。
背景技術(shù)：
紙在連續(xù)造紙機上的生產(chǎn)中，紙頁從纖維的水懸浮液(原漿)形成 在行進的篩網(wǎng)造紙織物上，而水靠重力和經(jīng)織物的吸收排出。然后，紙 頁被輸送到壓榨部分，在那里更多的水靠壓榨和真空被排出。紙頁接著 進入烘干機部分，在那里蒸汽加熱的烘干機和熱空氣完成烘干過程。造 紙機本質(zhì)上是個水排出系統(tǒng)。造紙機的典型形成部分包括循環(huán)行進造紙 織物或線。造紙織物或線在一系列水排出構(gòu)件上方行進，這些構(gòu)件如輥、 箔、真空箔和吸箱。原漿被運載在造紙織物的上表面上，隨著原漿行進 在接連的脫水構(gòu)件上方行進被脫水，形成紙張。最后，濕片被傳輸?shù)皆?紙機的壓榨部分，在那里水凈皮排出形成紙張。例如在"Handbook for Pulp & Paper Technologists (紙漿和紙工藝手冊)"第二版，G. A. Smook， 1992年，Angus Wilde出版公司和"Pulp and Paper Manufacture (紙 漿和紙制造)"Vol. Ill (造紙和紙板制造)，R.MacDonald， 1970年版， McGrawHill中，描述了本專業(yè)中熟知的造紙設備。例如在授權(quán)給He的 美國專利No. 5539634、授權(quán)給Hu的美國專利No. 5022966、授權(quán)給 Balakrishnan的美國專利No. 4982334、授權(quán)給Boissevain等人的美 國專利No. 4786817和授權(quán)給Anderson等人的美國專利No. 4767935 中，進一步描述了片狀材制造系統(tǒng)。許多因素影響水以其排出的速率， 這個速率最終影響所造紙的質(zhì)量。
在現(xiàn)代高速造紙的專業(yè)中，眾所周知，連續(xù)不斷地測量紙材料的某 些性質(zhì)以便監(jiān)測最后產(chǎn)品的質(zhì)量。這些在線測量通常包括基重、水分含 量和片卡尺即厚度。這些測量能用于在制造過程中控制具有保持產(chǎn)出質(zhì) 量目的的過程變量，和使由于干擾必須丟棄的產(chǎn)品數(shù)量最小。在線片材 性質(zhì)測量通常通過掃描傳感器完成。該傳感器周期地從邊緣到邊緣橫過
片狀材料。例如，高速掃描傳感器可以以如20秒那樣短的周期完成一次 掃描，在約IO毫秒間隔從傳感器讀測量。 一系列的固定傳感器也能用于 進行類似在線測量。
傳統(tǒng)的是，在片狀材料離開主烘干機部分時或者在撿拾滾筒應用掃 描傳感器時測量片狀材料的含水量。這樣的測量可以用于朝著達到要求 參數(shù)調(diào)整機器的運行。 一個用于測量含水量的技術(shù)是利用水在紅外(IR) 范圍的吸收光譜。用于該目的的監(jiān)測或測量設備普遍在使用中。這樣的 設備傳統(tǒng)上不是使用固定量具就是使用安裝在掃描頭上的量具。按各個 機器需要，安裝在掃描頭上的量具在從烘干機部分的出口處和/或在進到 撿拾滾筒時橫跨紙頁重復掃描。這些量具一般使用如石英鵠卣素(QTH) 燈這樣的寬帶紅外源和一個或幾個檢測器，檢測器對于由例如干涉型濾 光器的窄帶濾光器選擇的感興趣波長。所使用的量具分成兩個主要類
型透射型和散射型(一般稱為"反射"型)，在透射型中，源和檢測 器在紙頁的相對側(cè)，掃描量具時橫過紙頁鎖定地掃描；在散射型中，源 和檢測器在紙頁的 一側(cè)的單個頭中，檢測器響應源輻射從紙頁散射的數(shù)量。
雖然在較良好的干燥端環(huán)境中安置IR水分量具是最普遍的，同樣的 量具也應用在造紙機的濕端。濕端水分量具一般放置在壓榨部分的端部 或烘干機部分的開始端。對于紙機的壓榨和形成部分的診斷或?qū)τ跒檫M 入到烘干機部分而"凝固"紙頁，在這些位置的量具是有用的。
當前的IR濕度傳感器的速度受機械調(diào)制源光的要求限制。為了檢測 紙中水分，傳感器一般利用具有在1. 9pm (測量)和1. 8pm (參考)的 波長的光。目前，在這些波長的足夠大功率的可靠和經(jīng)濟的光源只是用 QTH燈才可實現(xiàn)的，QTH燈用機械方法可調(diào)制到高達10000Hz，但實際上 調(diào)制在小于lkHz。機械調(diào)制限制到這些較低頻率，因為增加調(diào)制頻率要 求減少孔徑，因此不是限制功率就是限制調(diào)制深度。而且，為獲得可允 許的調(diào)制上的顫動所需要的機械公差要求成為不可實現(xiàn)的。這些源也呈 現(xiàn)有限的輸出亮度(每單位立體角每單位面積功率)和一般具有只幾千 小時的壽命。這些熱光源的有限亮度造成很差的到光纖中的耦合效率， 也限制小抽樣面積的準確測量。迄今，所有已知的用于紙和平片狀產(chǎn)品 的IR濕度傳感器都使用QTH燈作為光源。對于QTH燈使用的實際機械調(diào) 制頻率限制傳感器帶寬到約100到500Hz。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明部分地是以非常高速的小型長壽命傳感器的研制為基礎，這 種傳感器特別適于測量在造紙設備中移動的含紙片狀物中的如濕氣這樣 的成分。該傳感器應用只產(chǎn)生規(guī)定的感興趣波長范圍的內(nèi)的輻射的光 源，利用非機械技術(shù)以高的頻率調(diào)制該光源。與每個傳感器至少使用兩 個光檢測器的傳統(tǒng)傳感器相比較，本發(fā)明傳感器只需要單個檢測器，在 這個檢測器那里，以不同的頻率調(diào)制光譜通道中的每一個，由此保持它 們的信息分離。由于該傳感器不需要在其中具有所有必需波長的光源即 寬帶光源，無需如在傳統(tǒng)濕度傳感器中的帶通濾光片。除了消除對具有 它們自己的單獨濾光片的兩個檢測器的需要，也能消除電子部件中的多 重復。例如，只需要一個互阻抗前置放大器。使用典型傳感器的單個檢 測器和在參考和測量波長通道之間的共用電路也極大地有助于在通道中 的某些噪聲影響的共模抑制。例如，在使用分離的檢測器時，在檢測器 之間的溫差漂移可能產(chǎn)生傳感器誤差，但在只使用一個檢測器部件(和 共用電路)時，該影響的一部分被消除。
在一個實施例中，本發(fā)明以一種傳感器為目標，這種傳感器用于測
量合成物中至少一個選擇的成分。這種傳感器包括
至少 一個光源，產(chǎn)生具有所期望波長范圍的光以檢測合成物中 一種 成分，其中至少一個光源配置成把光引向合成物；
用于調(diào)制至少一個光源的驅(qū)動裝置，但是該驅(qū)動裝置不機械調(diào)制這 至少一個的光源；以及
用于接收從合成物出射的光的檢測裝置。
在另一個實施例中，本發(fā)明以一種設備為目標，這種設備用于測量 合成物中至少一個選擇的成分。這種傳感器包括
至少 一個光源，產(chǎn)生具有所期望波長范圍的光以檢測合成物中 一個 成分，其中至少一個光源配置成把光傳輸?shù)胶铣晌锷系亩鄠€位置；
用于調(diào)制至少一個光源的驅(qū)動裝置，但是該驅(qū)動裝置不機械調(diào)制這 至少一個的光源；以及
用于接收在多個位置從合成物出射的光的檢測裝置。
在再一個實施例中，本發(fā)明以一種方法為目標，這種方法用于傳感 合成物中的一種物質(zhì)。這種方法包括步驟
(a )用包括在至少第一和第二單獨波長范圍中的波長的輻射照射合
成物，其中輻射由非機械地調(diào)制的光源提供，在第一波長范圍中的輻射 對合成物中的物質(zhì)是強烈敏感的，而在第二波長范圍中的輻射對合成物
中的物質(zhì)是不太敏感的；
(b)檢測在第一和第二單獨的波長范圍中的從合成物出射的輻射數(shù)量。
在一個優(yōu)選實施例中，應用的光源是在其中電調(diào)制驅(qū)動電流的 SLED。替換地，能應用外部電光或聲光調(diào)制器來調(diào)制光源。有若干調(diào)制 光源的原因(1 )和用于信噪比改善以及消除背景信號的鎖定檢測一起 使用和(2)在使用多于一個的源時，例如通過頻分多路復用，通過調(diào)制 在不同頻率的每個通道在源通道之間進行識別。SLED或LD源的高空間 模質(zhì)量允許有效使用在單模光纖光學器件中的這些類型的調(diào)制，在如QTH 燈這樣的低亮度熱源的情況下，這是不可能的，在那里單模光纖耦合實 際上是不可能的。
SLED源產(chǎn)生比用在傳統(tǒng)濕度傳感器中使用的例如寬度源的熱源在濕 度帶寬中多IOO倍的功率和在濕度帶寬中500000倍亮度。對于本發(fā)明傳 感器應用的光源的較高功率和亮度使傳感器允許傳感器可以在在被監(jiān)測 的例如紙的產(chǎn)品上方非?？斓乇粧呙韬涂梢赃_到高的空間分辨率。與 SLED和LD光源附帶的較高功率和亮度水平有關(guān)的另外益處是它們極好 的光纖光發(fā)射效率。這些固態(tài)源同單模光纖和傳統(tǒng)上在電信工業(yè)上使用 的其他部件是可配合的，所以同單模光纖和相關(guān)部件一起使用固態(tài)光源 的能力提供不能用如QTH燈這樣的熱光源實現(xiàn)的較低成本和較高效率的 傳感器系統(tǒng)。
紅外光譜學是用于含水量測量的優(yōu)選技術(shù)， 一個方法是應用具有在 預定的感興趣吸收和參考波長發(fā)射IR輻射的SLED的傳感器。雖然認為 任何高功率、可靠的或穩(wěn)定的SLED或LD源在1. 9到2. 0Mm輻射范圍當 前是市場上購買不到的，但另一個水敏感吸收峰的確存在在1. 4到1. 5 ym波長范圍。盡管這個吸收峰對水分不太敏感，但有一些在這些波長可 得到的合適的高功率和高速度SLED和可調(diào)諧LD光源。能容易地把這些 光源從直流(DC)或連續(xù)波(CW)電平調(diào)制到高達GHz速率，這個速率 與它們的高功率輸出結(jié)合使傳感器能夠是更準確和工作在很高的帶寬。 以這些高得多的速率調(diào)制的能力允許鎖定檢測的輸出濾波級中的較好的 噪聲抑制。
對于利用1. 4到1. 5 Mm水吸收頻帶有優(yōu)于^f吏用1. 9到2. OiLim水吸 收頻帶的另一些優(yōu)點。這些優(yōu)點包括較低的光纖內(nèi)損耗和較高的光電二 極管光檢測器的性能。例如，典型的InGaAs光電二極管的噪聲等效功率 (NEP)在1.5nm波長優(yōu)于在1.9Mm波長一個數(shù)量級。還有，帶有內(nèi)部 增益的周態(tài)檢測器即雪崩光二極管(APD )在1. 5 m m波長是容易獲得的， 但在1.9Mm波長是得不到的。此外，可以應用具有非常高的數(shù)值孔徑的 硬包層石英(HCS)多模光纖，它們減少測量的光纖彎曲損耗靈敏度。HCS 光纖也是比較廉價的。另外，本發(fā)明光源的增加亮度允許使用不太昂貴 的較小核光纖。在經(jīng)受小的彎曲時，這些光纖比較大核光纖可靠的多。
SLED或LD光源的典型壽命大約是20年，而QTH燈卻有4000小時 典型壽命。利用本發(fā)明，也消除了與QTH燈有關(guān)的機械馬達和斬波器，
是，對于這樣系統(tǒng)，單獨的傳:器一i為用于鎖定:'^J電4部件的定相 信號所需要。這允許用遮光器電或機械地關(guān)掉光源，以便阻斷來自QTH 燈的光，但電子部件繼續(xù)運轉(zhuǎn)。這個作用為背景光電平讀出所需要或者 使鎖定電子部件以很低的光電平工作。在本發(fā)明的SLED或LD源的情況 下，消除了這個額外的部件和有關(guān)的復雜性。


圖1和3是本發(fā)明的傳感器設備的兩個實施例的示意圖； 圖2說明光頭；
圖4說明結(jié)合本發(fā)明傳感器的造紙系統(tǒng)； 圖5是水重量對讀數(shù)的曲線圖6是對于圖5所示數(shù)據(jù)的作為積分時間函數(shù)的(基重)2cj百分比 誤差；
圖7是水重量對讀數(shù)的曲線圖；以及
圖8是對于圖7所示數(shù)據(jù)的作為積分時間函數(shù)的(基重)2cj百分比誤差。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種檢測成分，特別是呈薄膜、頁或薄片狀的材料的性 質(zhì)的傳感器系統(tǒng)。雖然就測量紙中水分來說明該傳感器，但要理解到， 能應用該傳感器檢測許多不同材料中的各種成分。這些材料包括，例如， 涂層材料、塑料、纖維等等。
圖l是一種高速濕度傳感器的原理圖，它特別適于測量移動的紙張
中的水分。該系統(tǒng)包括(i)測量(或者吸收)波長光源控制器42，它 調(diào)制測量(或吸收)光源16并控制其溫度；以及(ii )參考波長光源控 制器40，它調(diào)制參考光源14并控制其溫度。這些光源最好具有內(nèi)置溫度 控制裝置，例如珀爾帖冷卻器。電源41連接到控制器40和42。光源14 和16由單模光纖定向耦合器22耦合到多模漸變折射率光纖23和24。 多模漸變折射率光纖23和24分別連接到多模階躍折射率(step index ) 光纖26和27的遠端，該多模階躍折射率光纖26和27又在其近端連接 到探頭或者光頭28。
被監(jiān)測的如紙這樣的移動材料片30最好安置在光頭28附近，以致 光31能從光頭28引向片30。 一些反射光33由光頭28收集。光頭28 也連接到多模光纖32，多模光纖32把反射光從光頭28傳遞到最好是PIN InGaAs光電二極管的檢測器34。在這種方式下，多模光纖26提供源光 束，而多模光纖32提供檢測光束。該系統(tǒng)還包括互阻抗前置放大器36、 參考波長鎖定放大器20和測量波長鎖定放大器18。計算機19用來進行 數(shù)據(jù)信號分析?；プ杩骨爸梅糯笃?6用來把來自PIN光電二極管34的 光感應電流轉(zhuǎn)換成用于到鎖定放大器18、 20的輸入的電壓信號。在一些 情況下，互阻抗前置放大器可以是鎖定放大器的組成部分。參考波長放 大器20和測量波長鎖定放大器18，通過同時放大調(diào)制信號、把其轉(zhuǎn)換成 比例直流電平信號以及經(jīng)低通濾波器傳遞結(jié)果信號來抑制未調(diào)制的背景 噪聲，從背景提取低電平調(diào)制信號。該輸出低通濾波器具有最好比調(diào)制 頻率的截止頻率至少低2到3倍的截止頻率， 一般是至少比調(diào)制頻率低 10倍。低通輸出濾波器和調(diào)制頻率之間的頻率差越大，鎖定檢測的噪聲 性能越好。比較起來，在有限的lkHzQTH燈源調(diào)制的情況下，鎖定性能 極其受限制，在本發(fā)明的情況下就不是這樣，本發(fā)明應用SLED或LD源 的高頻調(diào)制能力。出自鎖定放大器18、 20的內(nèi)部振蕩器的波形用作對調(diào) 制的光源14、 16的光輸出的用于光源控制器42、 40的參考波形。
從參考光源14和測量光源16的光能夠通過多路復用技術(shù)方便地被 管理和經(jīng)共用光纖23和24傳輸。 一種優(yōu)選技術(shù)是頻分多路復用(FDM)。 合適的多路復用器和去多路復用器能應用在光纖23和24的遠端處和近 端處。為執(zhí)行FDM，控制器40和42分別以不同頻率調(diào)制測量光源14和 參考光源16。執(zhí)行多路復用的益處在于，由于每個光源以不同頻率被調(diào)
制，為檢測兩個波長只需要一個單獨的檢測器34和前置放大器36。
傳感器系統(tǒng)最好應用于通過掃描生產(chǎn)期間移動的紙張上方的設備來 監(jiān)測紙質(zhì)量。光頭28會沿相對移動紙張的交叉方向連續(xù)前后移動。光頭 38中的部件數(shù)目保持到最小，以便包含實質(zhì)頭部光學元件(head-essential optical element)，這些實質(zhì)頭部光學元件為光到紙張和 從紙張的傳遞和收集所需要。檢測系統(tǒng)的光源和如信號處理器部件和光 纖耦合器這樣的其他裝置位于較良好環(huán)境，這種環(huán)境處于遠離通常與紙 張制造過程有關(guān)的腐蝕環(huán)境的位置。因此，遠距離的處理器隔室離開在 紙張上方前后行進的光頭。光頭的重量優(yōu)選小于一千克，更優(yōu)選小于200 克。在這種情況下，光纖23、 24、 26、 27和32可以是同光頭28串聯(lián)移 動的電纜巻取機構(gòu)的一部分。電纜巻取機構(gòu)的用途是當光頭38在被移動 時操縱光纖以及保留全部彎曲的長度和半徑。
圖1上所說明的傳感器系統(tǒng)是以反射模式工作。在這個模式下，它 測量從在被監(jiān)測的紙張反射的輻射。替換地，該傳感器系統(tǒng)能夠很容易 地被修改以便測量經(jīng)紙張30透射的輻射強度。在這個透射模式下，系統(tǒng) 能應用一個檢測器29，這個檢測器安置在紙張30的反面，檢測通過紙張 30的輻射。檢測器29的光學部件系統(tǒng)連接到光纖32。在任一情況下， 通過檢測在測量即吸收時從紙張30出射即反射或者透射的光以及參考頻 帶波長，都能夠確定紙張30中的濕氣數(shù)量。
在應用本傳感器系統(tǒng)檢測含水量時， 一個解決方法是，預先確定感 興趣的吸收和反射IR波長以及應用傳感器提供所需波長內(nèi)的不變的、可 靠的能量流以獲得適當?shù)乃亓繙y量。具體說，水吸收作為波長函數(shù)的 跨越紅外光譜的輻射。紙張中的含水量越高，將從紙張出射的在或接近 水吸收峰的輻射越小。 一個水敏感吸收峰存在于1. 9到2. 0 m m輻射范 圍，而另一個水敏感吸收峰存在于大約1.4到1.5ym輻射范圍。
利用吸收和參考IR頻帶波長，該傳感器能同時測量從紙張出射即反 射或透射的輻射。事實上，在吸收IR頻帶波長的吸收測量主要對紙張中 水數(shù)量敏感。紙張干燥時，測量到較多的IR輻射；紙張潮濕時，測量到 較少的紅外輻射。相反地，對于參考測量，輻射處于有較少水分吸收的 IR頻帶波長。在這個頻帶損失的光是由于從紙張中的非與水有關(guān)的損 耗。這些損耗主要是由于從紙張中的散射以及紙張的非與水有關(guān)的衰減 因素。參考測量校正來自紙張中的非與水有關(guān)的損耗。在本系統(tǒng)中，參考波長也能校正與水分無關(guān)的其他共用模式光損耗，例如光纖中的彎曲
損耗。這是有可能的，因為測量和參考波長兩者都受光纖定向耦合22之 后的同一光纖彎曲影響。注意到，具有這樣的參考波長是有利的，這個 參考波長接近測量波長而又保留在水吸收頻帶之外。
如圖2所示， 一個合適的光頭28包括同耦合器104和106 —起的一 個主體102，耦合器104和106合并成像透鏡，分別用于連接傳遞源光 束的光纖112和傳遞檢測器光束的光纖114。光頭可以任選地包括保護 它避免環(huán)境影響的外殼。從光纖112傳遞的光116從旋轉(zhuǎn)反射鏡108反 射到在被掃描的材料片上?？梢詰眠m當?shù)木劢雇哥R(未示出)。從片 散射的光從反射鏡110反射到檢測器束光纖114中?？梢灾谱鞣瓷溏R108 和110的外形，使得能把光成像到上面，然后從相對在掃描的移動片的 適當取向捕獲。在這種情況下，可以省略聚焦透鏡(未示出)。反射鏡 的反射表面可以包括金、銀、鋁、電介質(zhì)或其他合適的反射材料層。
如圖1所示，測量和參考光源40、 42各個都提供測量所需要的波長 內(nèi)的恒定能量流，而且，沒有如斬波器、遮光器、音叉等這樣的裝置也 能幅度調(diào)制從各個光源的能量流。這些裝置通過物理中斷從光源的輻射 流來"機械調(diào)制"光源。在本發(fā)明的情況下，光源易受非機械調(diào)制，例 如通過直接調(diào)制連接到光源的驅(qū)動電流。其他典型調(diào)制技術(shù)應用如安置 在光源的光束通路中的克爾盒和泡克爾斯盒這樣的電光調(diào)制器或者如聲 光可調(diào)諧濾光器這樣的聲光器件。這些光纖內(nèi)型調(diào)制器一般用于高速電 信系統(tǒng)中。本發(fā)明的光源能有效地耦合到單模光纖中。 一般地，以比1000 Hz高的速率調(diào)制該光源，最好以最低5kHz的速率，更最好以到至少20kHz 至lMHz和更高的速率。優(yōu)選的光源裝置是工作在相對高的功率并具有相 對寬的頻譜寬度的發(fā)光二極管，稱為超發(fā)光的發(fā)光二極管(SLED) 。 SLED 源與傳統(tǒng)LED源區(qū)別在于，前者具有極其小的發(fā)光區(qū)發(fā)散產(chǎn)物，即允許 它們有效地發(fā)射到單模光纖中的高亮度。具有典型地為20年長壽命的 SLED能直接通過驅(qū)動電流以高頻調(diào)制。SLED也能用以GHz頻率調(diào)制的外 部光纖調(diào)制器。
產(chǎn)生0. 7到1. 6 m m波長范圍光的SLED是市場上可購到的，光一般 具有50y m量級的FWHM (半最大值的全寬度)線寬。因為SLED產(chǎn)生極 其高亮度的光，它們一般能傳遞2-45 mW的功率到單模光纖中。關(guān)于用 于測量紙中濕度的測量光源，當前可利用的SLED源只工作在較小的敏感1.4到1.5Mm波長頻帶，而不在1.9inm。關(guān)于參考光源，可以應用工 作在0.83、 0.93、 1.3或1.55Mm的市場可購SLED。在任一情況下， 無需干涉濾光片，也就是說，這些傳感器只能利用測量和參考SLED光源 的自然線寬。同應用從寬帶光源的光的現(xiàn)有裝置比較，在這種方式下， 非常多的經(jīng)光纖傳輸?shù)哪芰坑糜跈z測。如前述，和1.9到2. OMm水吸 收頻帶相比，存在利用1. 4到1. 5 m m水吸收頻帶有關(guān)的另一些優(yōu)點， 包括改進的性能和較低的成本。另外，能使用數(shù)值孔徑HCS多模光纖。
用于本發(fā)明傳感器的另一種光源是激光二極管。為了傳感紙中濕 度，可調(diào)諧激光源是優(yōu)選的，因為水吸收峰是溫度的函數(shù)，當在監(jiān)測的 紙的溫度波動時，可調(diào)諧激光二極管使傳感器能夠跟隨該吸收峰。例如， 1. 9 m m吸收峰對溫度的靈敏度大約是0. 3nm/lC。已測量到不太敏感的 1. 4 m m吸收峰具有0. 47 nm/1c的較大溫度靈敏度?；诙O管泵送Nd: YAG激光器泵送和光參數(shù)振蕩器(0P0)的在1.9nm波長范圍的固態(tài)可 調(diào)諧激光源是市場可購的，然而由于經(jīng)濟的或環(huán)境靈敏度的緣故，這些 類型的源不太是優(yōu)選的。產(chǎn)生在1. 4到1. 5 m m波長范圍的輻射的可調(diào) 諧激光二極管可從例如New Focus (San Jose，CA)得到。
在作為本發(fā)明傳感器中的光源應用時，除了在可調(diào)諧的激光二極管 的情況下應該考慮到溫度有關(guān)的波長漂移外，固定的和可調(diào)諧的激光二 極管源呈現(xiàn)許多與SLED源有關(guān)的同樣優(yōu)點。能很容易地使該傳感器最優(yōu) 化以對在其中工作的環(huán)境中的改變的動態(tài)特性進行調(diào)整。例如，已知對 于紙中水分的吸收或者傳感中心波長典型地是1. 93 ju m，而參考波長在 典型環(huán)境條件下典型地是1. 84 ju m，但吸收波長是溫度有關(guān)的。
除了測量含水量，還能監(jiān)測片狀材料的其他物理特性。例如，能檢 測如纖維素這樣的纖維、橡膠漿、例如CaC03和粘土的礦物等等。在每個 情況下，需要選擇適當?shù)妮椛浞秶鐪y量和參考IR帶寬。在授權(quán)給 Chase的美國專利No. 5013403、授權(quán)給Chase等人的美國專利 No. 5235192和授權(quán)給Belotserkovsky等人的美國專利No. 5795394 中，進一步描述了由紙和包紙產(chǎn)品中不同成分的IR吸收。這些專利在這 里引入作為參考。
本發(fā)明傳感器系統(tǒng)還能用于測量在連續(xù)的塑料生產(chǎn)過程中形成的膜 中聚合物。例如，能同用于塑料膜的連續(xù)生產(chǎn)的專業(yè)中已知的任何適當 設備一起應用傳感器系統(tǒng)。例如，在授權(quán)給Kirjavainen的美國專利
No. 6793854、授權(quán)給Krycki的美國專利No. 6565343、授權(quán)給Hirokawa 等人的美國專利No. 5230923、授權(quán)給Reinke等人的的美國專利 No.4797246、和美國專利No. 4311658中，進一步描述了代表性的機器， 這些專利在這里引入作為參考。本傳感器能按要求安置沿生產(chǎn)線的任何 地方。
本傳感器的優(yōu)選應用是通過測量形成膜的具體聚合物的濃度(每單 位面積重量， 一般以每平方米克，gsm，為單位來測量)監(jiān)測膜厚度。在 膜由單層的一種聚合物組成的情況下，放置傳感器引導輻射，例如適當 帶寬的IR輻射，測量該聚合物。在塑料是包含兩種或更多種不同聚合物 的合成物的單層或者塑料是多層膜的情況下，可以應用多個傳感器或者 可以應用具有多路復用配置的傳感器來檢測各種聚合物成分。多層膜一 般包括層疊在一起的多個層。優(yōu)選的，在多層結(jié)構(gòu)中，相鄰層由不同的 聚合物材料組成。通過應用具有不同物理性質(zhì)的不同聚合物，多層膜可 以具有不在單層膜出現(xiàn)的物理屬性組合。例如，多層膜可以是耐潮濕的、 耐磨損的，可是仍然是柔韌的。本發(fā)明的傳感器在控制多層膜生產(chǎn)保證 膜中每層具有適當厚度或重量(gsm)方面尤其有效，以致多層膜具有適 當?shù)男再|(zhì)組合。
高速濕度傳感器系統(tǒng)也能應用于沿造紙機的橫向方向、機器方向或 這兩個方向測量水分。如上所述，圖1上描繪的光頭28能橫過移動的紙 張掃描。為測量機器方向(MD)上的水分，較可取的是，在不同MD位置， 但在相同的相對造紙機邊緣的橫向方向(CD)位置基本上一前一后地配 置多個傳感器。在這個方式下，產(chǎn)生水分MD分布。如是明顯的，可以應 用一些單獨的傳感器系統(tǒng)，每個具有至少兩個SLED、單獨的產(chǎn)生測量和 參考波長的控制器。
替換地，如圖3上所說明，可以應用這樣的傳感器系統(tǒng)，它只需要 兩個例如SLED的光源和相應的測量和參考波長光源控制器，但具有多個 光頭。如所示，該傳感器系統(tǒng)包括參考波長光源控制器50和測量(或吸 收)波長光源控制器52以及從1到12標記的12個濕度傳感器。如是明 顯的，該傳感器系統(tǒng)可以有或多或少的傳感器。傳感器l包括前置放大 器138、鎖定放大器134和136以及輸入口 139。其它11個傳感器的每 一個都優(yōu)選有相同的配置?？刂破?0和52能控制安裝在光纖和光電隔 室54中的兩個相應SLED源51和53的溫度和驅(qū)動電流。從兩個SLED(參考和測量)的光由單模光纖定向耦合器55耦合到單模光纖57，該單模光 纖57又被分束器59分束并且連接到12個光輸出口 ，分別如121和132 所示的第一個和最后一個。
在這種方式下，輸出口可以訪問來自參考和測量SLED的光的一部 分。在位于隔室54里的輸出口中的每一個上都是可同時獲得光的。從每 個輸出口的光都是用于單獨的濕度傳感器或光頭的源束。例如，傳感器 12具有與其相關(guān)的輸出口 132和光頭56。光經(jīng)多模光纖引入線58傳遞 到光頭56?？商鎿Q地，能夠用單模光纖代替多模光纖用作這個源引入線 58。利用透鏡和/或反射鏡，光頭56從引入線58把光141成像到紙張 60上。從紙張6 0散射的光143利用另一個透鏡和/或反射鏡捕獲并成像 到接收光纖74中。這個接收的光然后經(jīng)輸入口 140傳遞到解調(diào)電子部 件，該解調(diào)電子部件包括如圖所示的傳感器12的具有光電二極管的接收 口和前置放大器以及鎖定放大器。從兩個鎖定放大器的解調(diào)輸出然后被 處理，以便獲得如由傳感器12測量的紙張中的水分含量。
本發(fā)明傳感器可以用于測量在造紙系統(tǒng)中的含水混合物物(稱為濕 原漿)的物理特性。圖4表示用于生產(chǎn)連續(xù)紙材料張94的典型造紙系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包括壓頭箱92、蒸汽箱88、壓延棧(calendaring stack) 90、 撿拾滾筒78和包括本發(fā)明傳感器的掃描器系統(tǒng)80。在壓頭箱92中布置 傳動裝置控制濕原漿泄放到沿交叉方向支承線或網(wǎng)96上。形成在線96 上部的纖維材料片上被拖拉，在滾94和98之間在機器方向上行進，再 通過壓延棧90。壓延棧90包括控制橫跨紙頁施加的壓榨壓力的傳動裝 置。造紙系統(tǒng)包括一個壓榨部分(未示出)，其中使水機械地從片中排 出，固結(jié)紙頁。之后，通過在烘干機部分(未示出)蒸發(fā)來排出水。在 滾筒78上收集最終的紙產(chǎn)品94。實際上，造紙過程的接近壓頭箱部分稱 作"濕端"，而造紙過程的接近撿拾滾筒部分稱作"干端"。
掃描系統(tǒng)8 0 —般包括多對水平延伸的導軌8 4 ，它們跨越紙產(chǎn)品9 4 的寬度。導軌由直立的支柱82在其相對端支承，并按足以允許紙產(chǎn)品94 在導軌之間行進的間距的距離垂直地間隔開。傳感器固定到滑架86上， 當進行測量時，滑架86在紙產(chǎn)品94上前后移動。在授權(quán)給Dahlquist 的美國專利No. 4879471、授權(quán)給Dahlquist等人的美國專利No. 5 0945 35 和授權(quán)給Dahlquist的美國專利No. 5166748中，披露了用于造紙生產(chǎn) 的在線掃描傳感器系統(tǒng)，所有這些專利在這里引入作為參考。
如圖3上所說明的傳感器系統(tǒng)特別適用于在造紙過程中在多位置在 機器方向上測量水分含量。例如沿網(wǎng)上方的機器方向能應用該系統(tǒng)的12 個傳感器使造紙機最佳以產(chǎn)生與對于特級紙的"理想的，，分布比較的網(wǎng) 上的紙材料的連續(xù)水分分布。根據(jù)偏離理想的程度，可以相應地調(diào)整濕 端和/或干端的參數(shù)。在授權(quán)給Hagart-Alexander的美國專利 No. 6092003中描述了適當?shù)目刂七^程，這個專利在這里引入作為參考。 雖然能控制干端參數(shù)，例如加熱裝置的溫度，得到要求的最終產(chǎn)品，但 一般地濕端參數(shù)更重要。例如，在授權(quán)給MacHattie等人的美國專利 No. 6805899、授權(quán)給Heaven等人的美國專利No. 6466839、授權(quán)給Hu 等人的美國專利No. 6149770、授權(quán)給Hagart-Alexander等人的的美國 專利No. 6092003、授權(quán)給Heaven等人的美國專利No. 6080278、授權(quán)給 Hu等人的美國專利No. 6059931授權(quán)給Hu等人的美國專利No. 6853543 和授權(quán)給He的美國專利No. 5892679中，進一步描述了用于造紙機的技 術(shù)，這些專利在這里引入作為參考。
光譜測定掃描系統(tǒng)被進一步描述，例如，授權(quán)給Belotservsky等人 的美國專利No. 5795394披露了掃描反射型紅外鍍膜傳感器，授權(quán)給 Preston等人的美國專利No. 6404502披露了反射型光澤傳感器，兩個專 利在這里引入作為參考。在授權(quán)給Dahlquist的美國專利No. 4879471、 授權(quán)給Dahlquist等人的美國專利No. 5094535和授權(quán)給Dahlquist的 美國專利No. 5166748中，披露了用于在造紙生產(chǎn)期間光測量纖維片的干 組分重量、組分重量和水含量的在線掃描傳感器系統(tǒng)，所有這些專利在 這里引入作為參考。
利用出自SuperLumDiodes有P艮公司(莫斯科，俄羅斯)的兩個SLED 構(gòu)制了如圖l和2所示配置的高速濕度測量傳感器。具有分別約1310nm 和5 0訓的標稱中心波長和FWHM (半最大值的全寬度)的SLED用作參考 光源；具有分別約1480nm和50nm的標稱中心波長和FWHM(半最大值的 全寬度)的SLED用作測量參考光源。之所以選擇這些波長是因為高功率 SLED源在這些波長上是市場上可購的，并且方便地在測量SLED的1480nm 標稱中心波長的帶寬內(nèi)有水吸收峰。出自ILX Lightwave公司 (Bozeman, MT )的兩個型號LCD-3724B激光二極管控制器用于既控制兩 個SLED的驅(qū)動電流又控制兩個SLED的溫度。正弦調(diào)制從出自Signal Recovery of Advanced Measurement Technology公司 (Oak Ridge, TN )
的兩個數(shù)字信號處理鎖定放大器中的內(nèi)部振蕩器經(jīng)二極管控制器上的外
部調(diào)制輸入端施加到每個SLED上。在一個例子中，分別以48kHz和 24. 78kHz調(diào)制參考和測量SLED，然而有許多不同的可用調(diào)制頻率組合。 利用3dB單模光纖光定向耦合器組合來自兩個SLED的光。定向耦合器的 兩個輸出臂則耦合到多模光纖中。這些源傳遞光纖在光頭處終結(jié)，從多 模光纖的輸出光則成像在測試中的紙上。
從紙散射的光的 一部分由透鏡捕獲并耦合到與傳遞光纖相同類型的 多模接收光纖中。要注意到，接收光纖不必是與源光纖相同類型的。從 接收光纖輸出端的光耦合到InGaAs PIN光電二極管(0SI Fibercomm 公司(Hawthorne, CA))上。從光電二極管的輸出然后被饋送到互阻抗 前置放大器，該互阻抗前置放大器的輸出被饋送到鎖定放大器，該鎖定 放大器解調(diào)參考和測量信號。從鎖定放大器的兩個電壓經(jīng)抑制噪聲的低 通電子濾波器饋送到計算機供分析。
為了表示其性能特征，傳感器用在了一種重復測試中。這種測試是， 當抽樣在烘干時候測量在不同水分含量的新聞紙抽樣。由于這是動態(tài)抽 樣，所以進行了許多次重復測試以便覆蓋從約100gsm水重量(67。y4水分) 到約8gsm水重量(14%水分)的范圍。新聞紙具有49. 05gsm的干重量含 水量。在環(huán)境溫度下進4亍測量，并且利用出自National Instruments (Astin，TX)的LABVIEW軟件用微處理器完成計算。在本發(fā)明傳感器的 情況下，非?？斓姆e分時間，例如亞微秒積分時間是有可能的。圖7和8 表示對于具有12500Hz帶寬(80微秒)的傳感器的數(shù)據(jù)。作為比較，對 于利用用工作在例如640Hz的斬波器機械調(diào)制的QTH光源的現(xiàn)有技術(shù)傳 感器，最小積分時間約為10毫秒(100Hz)。
在第一組測試中，對傳感器的鎖定時間常數(shù)是6W微秒，而參考和 測量調(diào)制頻率分別是48kHz和24. 78kHz。數(shù)據(jù)采集(或采樣)速率是 2kHz，而最小積分時間是500微秒。在這個實驗中，當烘干紙時，紙的 水含量被測量。在這期間，含水量從100. 65降低到9. 25gsm。圖5表示 作為讀數(shù)(與時間相當)函數(shù)的8個單獨數(shù)據(jù)組的水重量讀數(shù)(標記A 到H的)。圖6表示作為積分時間函數(shù)的2 a重復性結(jié)果。從圖6可以看 到，對于1毫秒積分時間，約60%水分抽樣的2cr重復性約為0. 095% (或 0. 12gsm的水重量)。
在第二組測試中，對傳感器的鎖定時間常數(shù)是80微秒，而參考和測
量調(diào)制頻率分別是219081. 10Hz和175500. OOHz。數(shù)據(jù)采集速率是 50kHz，而積分時間是25微秒。在這個實驗中，當紙被烘干從100. 65 到3. 44gsm時，紙的水含量被測量。圖7表示作為讀數(shù)(或時間)函數(shù) 的7個單獨數(shù)據(jù)組的水重量讀數(shù)(標記A到G的)。圖8表示約1. 2%(對 于約60%水分)的2 (7重復性，而在1毫秒的積分時間我們有約0. 2%的2 CJ重復性(對于約60%水分)。
雖然對于80微秒時間常數(shù)的2 (j結(jié)果差于640微秒時間常數(shù)的結(jié) 果，但系統(tǒng)具有8倍高的帶寬，因而能較快地響應水分變化。這意味著 能較快地掃描傳感器。應該從重復性曲線注意到，對數(shù)-對數(shù)曲線不是線 性的，原因是按著頻分多路復用光源，由于參考和測量源調(diào)制頻率的混 合和它們的諧波，電子噪聲自然不再是隨機白噪聲并具有有限的頻譜容 量。
應該注意到，比這些實驗中存在的傳感器帶寬高得多的傳感器帶寬 是有可能的。所應用的帶寬是用于實驗中的個別設備的限制，而不是用 來限制本發(fā)明的范圍。
上文描述了本發(fā)明的原理、優(yōu)選實施例和工作模式。然而，本發(fā)明 不應該被解釋為受限于所述的一些具體實施例。相反，上述實施例應該 被看作是說明性的，而不是限制性的，而且應該意識到，不偏離如附屬 的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍，可以由本領域的技術(shù)人員做出一些 變更。
權(quán)利要求
1.一種用于測量合成物中的至少一個選擇成分的傳感器，它包括至少一個光源，其產(chǎn)生具有所期望波長范圍的光以檢測該合成物中的一種成分，其中該至少一個光源將該光引向該合成物；用于調(diào)制該至少一個光源的驅(qū)動裝置，但是該驅(qū)動裝置不機械調(diào)制該至少一個的光源；以及檢測裝置，用于接收從該合成物出射的光。
2. 權(quán)利要求l的傳感器，其中至少一個光源包括超發(fā)光的發(fā)光二極 管或激光二極管。
3. 權(quán)利要求l的傳感器，其中用于調(diào)制至少一個光源的驅(qū)動裝置直 接調(diào)制該至少 一個光源的驅(qū)動電流。
4. 權(quán)利要求l的傳感器，其中用于調(diào)制至少一個光源的驅(qū)動裝置使 用一個或多個外部電光調(diào)制器。
5. 權(quán)利要求l的傳感器，其中用于調(diào)制至少一個光源的驅(qū)動裝置使 用一個或多個外部聲光調(diào)制器。
6. 權(quán)利要求l的傳感器，其中用于調(diào)制至少一個光源的驅(qū)動裝置以 至少5kHz的速率進行調(diào)制。
7. 權(quán)利要求l的傳感器，其中至少一個光源包括發(fā)光器件，其包括 超發(fā)光的發(fā)光二極管或激光二極管，該發(fā)光器件耦合到光纖以使得從該 發(fā)光器件出來的光經(jīng)過該光纖傳輸。
8. 權(quán)利要求7的傳感器，包括耦合到光纖并且將光引向合成物的光 學器件。
9. 權(quán)利要求8的傳感器，其中光學器件被配置成接收從合成物出射 的光。
10. 權(quán)利要求l的傳感器，其中用于接收光的檢測裝置產(chǎn)生與接收 的光的強度成正比的信號，并且其中該傳感器還包括用于從這些信號過 濾噪聲的裝置。
11. 權(quán)利要求10的傳感器，其中用于過濾噪聲的裝置包括鎖定放大 器，其放大調(diào)制信號和在用低通濾波器同時抑制噪聲的同時把調(diào)制信號 轉(zhuǎn)換至成比例的直流電平信號。
12. 權(quán)利要求ll的傳感器，其中鎖定放大器消除背景噪聲。
13. 權(quán)利要求l的傳感器，其中用濾光器過濾光不需要產(chǎn)生具有所期望波長范圍的光。
14. 一種用于測量合成物中的至少一個選擇成分的傳感器，它包括: 第一光源，其產(chǎn)生具有對所述成分敏感的第一波長區(qū)域的第一光； 用于調(diào)制該第一光源的第一驅(qū)動裝置，，但是該第一驅(qū)動裝置不機械調(diào)制該第一光源；第二光源，其產(chǎn)生具有對所述成分有不同靈敏度的第二波長區(qū)域的 第二光；用于調(diào)制該第二光源的第二驅(qū)動裝置，但是該第二驅(qū)動裝置不機械 調(diào)制該第二光源。
15. 權(quán)利要求14的傳感器，其中用于調(diào)制第一光源的第一驅(qū)動裝置 以第一頻率調(diào)制該第一光源以產(chǎn)生笫一調(diào)制光信號，用于調(diào)制第二光源 的第二驅(qū)動裝置以第二頻率調(diào)制該第二光源以產(chǎn)生第二調(diào)制光信號，其中第一頻率與第二頻率不同。
16. 權(quán)利要求15的傳感器，其中第一調(diào)制光信號與第二調(diào)制光信號 一起被多路復用以便經(jīng)過一條光纖傳送。
17. 權(quán)利要求16的傳感器，其中頻分多路復用被應用到多路復用的 第一和第二調(diào)制光信號。
18. 權(quán)利要求15的傳感器，其中用于接收光的檢測裝置包括單個檢 測器和單個前置放大器，該前置放大器檢測具有第一頻率和第二頻率的 光。
19. 權(quán)利要求14的傳感器，其中(i )第一光源包括第一發(fā)光器件， 其包括超發(fā)光的發(fā)光二極管或激光二極管，該第一發(fā)光器件耦合到光纖 以使得從該第一發(fā)光器件出來的光經(jīng)過該光纖傳輸；(ii )第二光源包 括第二發(fā)光器件，其包括超發(fā)光的發(fā)光二極管或激光二極管，該第二發(fā) 光器件耦合到光纖以使得從該笫二發(fā)光器件出來的光經(jīng)過該光纖傳輸。
20. —種用于測量合成物中的至少一個選擇成分的設備，它包括 至少 一個光源，其產(chǎn)生具有所期望波長范圍的光以檢測該合成物中的一種成分，其中該至少一個光源被傳遞到該合成物上的多個位置； 用于調(diào)制該至少一個光源的驅(qū)動裝置，但是該驅(qū)動裝置不機械調(diào)制該至少一個的光源；以及多個檢測裝置，用于接收從該合成物在多個位置上出射的光。
21. 權(quán)利要求20的設備，包括第一光源，其產(chǎn)生具有對所述成分敏感的第一波長區(qū)域的第一光； 用于調(diào)制該第一光源的第一驅(qū)動裝置但是該第一驅(qū)動裝置不機械調(diào) 制該第一光源；第二光源，其產(chǎn)生具有對所述成分有不同靈敏度的第二波長區(qū)域的 第二光；用于調(diào)制該第二光源的第二驅(qū)動裝置，但是該第二驅(qū)動裝置不機械 調(diào)制該第二光源。
22. 權(quán)利要求21的設備，其中用于調(diào)制笫一光源的第一驅(qū)動裝置以 第一頻率調(diào)制該第一光源以產(chǎn)生笫一調(diào)制光信號，用于調(diào)制第二光源的第二驅(qū)動裝置以第二頻率調(diào)制該第二光源以產(chǎn)生第二調(diào)制光信號，其中 第一頻率與第二頻率不同。
23. 權(quán)利要求22的設備，其中第一調(diào)制光信號與第二調(diào)制光信號一 起被多路復用以便經(jīng)過一條光纖傳送。
24. 權(quán)利要求23的設備，其中頻分多路復用被應用到多路復用的笫 一和第二調(diào)制光信號。
25. —種用于感測合成物中的一種物質(zhì)的方法，該方法包括步驟(a )使用包括在至少第一和笫二單獨波長區(qū)域的波長的輻射來照射 該合成物，其中該輻射由非機械調(diào)制的光源提供，其中在第一波長區(qū)域 的輻射對該合成物中的物質(zhì)是強烈敏感的，在第二波長區(qū)域的輻射對該 合成物中的物質(zhì)是不太敏感的；(b )檢測從合成物出射的在第一和第二單獨波長區(qū)域中的輻射量。
26. 權(quán)利要求25的方法，其中步驟(a)包括用以第一頻率調(diào)制的 第一調(diào)制光信號和以第二頻率調(diào)制的第二調(diào)制光信號照射該合成物，該 第二頻率與第一頻率不同。
27. 權(quán)利要求26的方法，其中第一調(diào)制光信號與第二調(diào)制光信號一 起被多路復用以便經(jīng)過一條光纖傳輸并且和被引向該合成物。
28. 權(quán)利要求27的方法，其中頻分多路復用被應用到多路復用的第 一和第二調(diào)制光信號。
29. 權(quán)利要求25的方法，還包括根據(jù)在笫一和第二波長區(qū)域的輻射 的檢測數(shù)量來計算合成物中的物質(zhì)的數(shù)量。
30. 權(quán)利要求25的方法，其中該合成物是包括紙或塑料的平片狀產(chǎn)
31.權(quán)利要求25的方法，其中計算紙中水的含量。
全文摘要
一種用于測量如在移動的包括造紙設備中紙的片狀物中水分這樣的成分的長壽命傳感器使用產(chǎn)生規(guī)定的感興趣波長范圍內(nèi)的輻射的光源，并且利用非機械技術(shù)以高頻率調(diào)制該光源。在保持信息分離的同時具有各種輻射源的單個檢測器能在所有頻率測量。為改進的噪聲抑制能直接電調(diào)制超發(fā)光的發(fā)光二極光或激光二極管光源。這些較高功率和亮度光源提供極好的光纖光發(fā)射效率并允許傳感器以快得多的速率在被監(jiān)測的紙上方被掃描。
文檔編號G01N21/35GK101208596SQ200680023209
公開日2008年6月25日 申請日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者F·M·哈蘭, R·E·貝塞爾特 申請人:霍尼韋爾國際公司